Elektroautos sind keine neue Erfindung. Eines der ersten elektrisch betriebenen Gefährte wurde bereits 1881 von Gustave Trouvé auf der Elektrizitätsmesse in Paris vorgestellt. 1900 präsentierte Ferdinand Porsche dann auf der Weltausstellung in der französischen Hauptstadt ein im Auftrag des Wiener Kutschenfabrikanten Ludwig Lohner entworfenes Elektroauto mit zwei Radnaben-Motoren. Das Problem der geringen Reichweite löste Porsche, indem er den Elektro- mit einem Verbrennungsmotor zu einem Hybridantrieb kombinierte. Zur Marktreife – geschweige denn zur Serienproduktion – reichte es bei diesen Konzepten zur damaligen Zeit allerdings nicht.

Mit zunehmender Verknappung der fossilen Brennstoffe sowie mit dem Ziel einer spürbaren Reduzierung des Kohlendioxid-Ausstoßes kommt das Thema Elektroauto über 100 Jahre später wieder auf die Tagesordnung – jetzt aber mit weit mehr Nachdruck und getragen von der kompletten Automobilindustrie. Ein weiterer Unterschied zu damals: Der hierfür erforderliche Strom wird idealerweise regenerativ erzeugt! Doch nicht nur woher der Strom kommt, ist für den Erfolg der Elektromobilität maßgeblich, sondern auch die Fragestellung, wie er am effizientesten in das Fahrzeug respektive die dort verbaute Batterie gelangt.

Das Forschungsinstitut für Kraftfahrtwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS) hat vor diesem Hintergrund eine Elektrotankstelle aufgebaut, die der Erforschung des Ladevorgangs elektrisch betriebener Fahrzeugsysteme dienen soll. Diese erlaubt die Untersuchung und Optimierung der einzelnen Aufgabenstellungen aus dem ELITE-Projekt (Energie­effiziente Leistungsoptimierte und Intelligente Tankstelle für Elektrofahrzeuge), welches vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden Württemberg gefördert wird und im Juli 2011 von der zuständigen Ministerin Theresa Bauer sowie  von Daimler-Vorstand Prof. Thomas Weber eingeweiht wurde.

Neben der reinen Ladesäule spielen in diesem Zusammenhang die für die verschiedenen Ladekonzepte erforderliche Leistungselektronik, Kabelführungen, Datenverarbeitungs-Einheiten und die Benutzerschnittstellen eine Rolle. Die Programmierung und Inbetriebnahme der Anlage inklusive eines umfassenden After-Sales-Service runden das Projekt ab. Darüber hinaus wird bei diesem hochmodernen Prüfstand ein regeneratives Konzept zur Einspeisung der benötigten Energie zum Einsatz kommen.

Das ELITE-Forschungsprojekt umfasst grundsätzlich folgende Schwerpunktthemen:

■ Identifikation des jeweiligen Fahrzeugs,
■ Abrechnung der getankten Energiemenge,
■ Betriebsstrategie und Verbesserung des Wirkungsgrads der Ladesäule,
■ Entwicklung eines Standards zur Energie-Übertragung,
■ Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Infrastruktur (C2I – car to infrastructure),
■ Funktion der Ladesäule als Bestandteil eines intelligenten Stromnetzes (Smart Grid),
■ komfortable Nutzung durch die Anwender sowie
■ energieeffizienter Betrieb der Ladesäule.

Georg Thomas, Leiter des Kompetenz-Center Technology bei Heldele: „Unsere Forschungsanlage bedingt einen hohen Sicherheitsaufwand, um das gleichzeitige Schalten von Leistung zu verhindern. Die DC-Stromkreise sind deshalb mit einer Isolationsüberwachung ausgestattet. Außerdem haben wir eine Sicherheitsabschaltung implementiert, die permanent kontrolliert, ob sich ein Fahrzeug an der Ladesäule befindet.

© Heldele

Die in Salach im Landkreis Göppingen ansässige Firma Heldele erhielt im Rahmen einer Ausschreibung den Zuschlag für die Lieferung und Montage der Schaltanlagen. Da die Elektrotankstelle jederzeit erweiterbar sein soll, haben sich das FKFS und Heldele für eine offene Plattform auf Basis des Automationssystems von Phoenix Contact entschieden. In der Ausschreibung wurden drei Parkplätze festgelegt. Auf Parkplatz 1 (Ladepunkt 1 und 2) kommt ausschließlich die AC-Ladetechnologie zum Einsatz. An den beiden weiteren Plätzen mit Ladepunkt 3 und 4 ist sowohl AC- als auch DC-Ladung realisiert. Eine Besonderheit ist am Ladepunkt 5 installiert – hier soll die Induktionsladung in der Praxis getestet werden.

Zentrale Komponente in den Ladesäulen ist eine Modularsteuerung vom Typ ILC. Sie identifiziert Fahrer oder Fahrzeug und steuert den „Handshake“ zwischen Fahrzeug und Lade-Infrastruktur. Des Weiteren schaltet der Controller den Ladevorgang frei, überwacht und beendet ihn definiert. Außerdem übermittelt die Steuerung eventuelle Alarm- und Störmeldungen. Dazu wird sie modular erweitert, etwa um

■ analoge und digitale Eingabe- und Ausgabeklemmen für Status- und Fehlersignale wie Temperaturüberwachung, Interlocks und Zählerimpulse,
■ serielle Kommunikationsschnittstellen zur Einbindung von Peripherie-Geräten wie RFID-Lesegerät oder Energiezähler und
■ eine SQL-Datenkommunikation.

Zu den zentralen Komponenten der komplexen Forschungsanlage zählen die beiden Ladesäulen mit AC- und DC-Ladetechnologie sowie Hochfrequenztechnik, die als Front-End fungieren.

Ladesäule 1 hat ein klassisches Tanksäulen-Outfit; in ihr ist ein Teil der Steuerungstechnik und das Bedienterminal für alle Ladepunkte installiert. Die Lade-säule 2 enthält die komplette HF-Technik für die Induktionsladung und die Anschlusstechnik für AC- und DC-Ladung. Aufgrund der eingesetzten HF-Technik wurde aus Ladesäule 2 ein Outdoor-Schaltschrank mit entsprechender Kühlung für den Ganzjahresbetrieb. Für die Anwendung der Induktionsladung ist ein weiteres Forschungsprojekt beim FKFS in Arbeit.

Die Elektroautos werden unter anderem aus dem lokalen Netz der Energieversorgungs-Unternehmen betankt. Die Erkenntnisse, die sich aus dem Ladevorgang ergeben, sollen sofort in einer SQL-Datenbank gespeichert und verarbeitet werden. Geplant ist ferner, die Netzeinspeisung über Photovoltaik-Anlagen sowie das Einspeisen einer stationären Batterie und Pufferung der Energie. Auch dies ist ein bidirektionaler Vorgang, aus dem sich Optimierungspotenziale ableiten lassen. Denn obwohl das Motto „Strom kommt aus der Steckdose“ nach wie vor einen hohen Stellenwert bei der Energieversorgung hat, gewinnen Einspeisequellen aus regenerativen Energien immer mehr an Bedeutung. Ob sich das Elektroauto als Energiespeicher in intelligenten Netzen (Smart Grids) eignet, ist demzufolge eines der Schwerpunkt-Themen des ELITE-Projekts.

Verschiedene Identifikationsverfahren

Die Forschungsanlage des FKFS besteht aus drei Parkplätzen, zwei Ladesäulen, einer 4-Meter-Schaltanlage im Labor und einer zentralen Anbindung an die Universität Stuttgart.

© Phoenix Contact

Aufgrund der flexiblen Anforderungen des FKFS ist die Funktion der Stromtankstelle offen gestaltet. Das jeweilige Fahrzeug wird beispielsweise durch verschiedene Verfahren erkannt. Ladesäule 1 steuert und versorgt drei AC-Ladesteckdosen auf den Parkplätzen 1 und 2. Wenn der Fahrer sein Elektroauto betanken möchte, meldet er sich mittels RFID-Chip am Zentral-Terminal der Ladesäule 1 an und bestätigt nach der Power-Verbindung den Ladevorgang. Die Abrechnungs- und Betriebsdaten werden von der Kleinsteuerung erfasst und an einen Datenbank-Server im Labor sowie an eine zweite Steuerung weitergeleitet. Diese befindet sich im Labor in der vier Meter breiten Schaltanlage, die unter anderem die Steuerungstechnik, Versorgung sowie die Umschaltmatrix AC/DC-Wandler und DC/DC-Wandler umfasst.

Optional zur RFID-Erkennung ist eine Bluetooth/CAN-Kommunikation möglich An dieser Stelle erweist sich die Offenheit des Automatisierungssystems als besonders wichtig, denn die Fahrzeugkommunikation über ein Bussystem ist noch nicht abschließend genormt. Welche Protokolle und Bussysteme sich hier letztendlich etablieren werden, bleibt abzuwarten.
Der Vorteil der DC-Ladung liegt in der Ladezeit, die weniger als 30 Minuten beträgt. Im Vergleich dazu liegt der Ladevorgang mit der AC-Technologie noch im Stundenbereich. Die AC-Ladung lässt sich jedoch mit wenig Aufwand in der eigenen Garage, zum Beispiel mit so genannten Wallboxen, umsetzen. Demgegenüber ist die Gleichstromladung technisch noch sehr aufwendig. Das FKFS forderte hier eine Ladespannung von etwa 100 V(DC) bis 600 V(DC).

41 Betriebsarten – eine Herausforderung!

Eine von 41 Kombinationsmöglichkeiten der Umschaltmatrix: DC-Einspeisung über Photovoltaik und daraus resultierende Ladung mit AC-Technik an drei Punkten.

© Phoenix Contact

Der Anforderungskatalog an die Lade-Infrastruktur des Projektes listet 41 Betriebsarten auf. Da sowohl die vorhandenen Lade-Szenarien als auch Einspeisungen wahlweise vom Netz oder über regenerative Energien bedient und überwacht werden müssen, ist im Schaltschrank des Labors eine Umschaltmatrix auf konventioneller Schütztechnik – also kontaktbehaftet – realisiert. Die Umschaltmatrix für die gesamte Anwendung stellte für die Heldele-Ingenieure eine weitere Herausforderung dar, da diese Matrix durch die Steuerung ebenfalls zu verwalten ist. Zudem muss dabei sichergestellt sein, dass durch eine Fehlschaltung der Betriebsarten die Forschungsanlage nicht zerstört wird.

Ein auf Web-Technologie basierendes System überwacht und visualisiert schließlich die Anlage. Sämtliche aktuellen Daten, Fehlermeldungen, die Protokolle der Messwerte sowie die Anlagenverfügbarkeit werden über die einfach bedienbare Lösung von Phoenix Contact angezeigt. Integraler Bestandteil des Systems ist das Leitsystem AxWeb, welches auf der SQL-Datenbanktechnik aufsetzt. Das heißt: Eine zusätzlich vermittelnde Schicht, über die AxWeb mit der Steuerung kommuniziert, ist dadurch nicht erforderlich. Die Visualisierung wird mit einfachem html-Code generiert oder einfach gesagt nur noch konfiguriert. Dadurch kann von beliebigen Browsern mit html-fähigen Endgeräten auf das System zugegriffen werden. Dies ist gerade für eine Forschungsanlage mit ihren fast täglich neuen Herausforderungen ein großer Vorteil.

In Verbindung mit einer stationären Batterie erlaubt eine neben der Forschungsanlage aufgebaute Photovoltaik-Applikation den Betrieb der Stromtankstelle als Insellösung. In Zukunft sollen weitere Möglichkeiten der umweltschonenden Energie-Erzeugung in das Projekt integriert werden. Viele Experten gehen in den nächsten Jahrzehnten von einer Kombination von Batterie und Brennstoffzelle aus. Welche Konzepte und Möglichkeiten zur Umsetzung der E-Mobility tatsächlich zum Tragen kommen, lässt sich heute noch nicht abschließend beurteilen.

Autor: Wolfgang Stöcker ist Leiter des Bereiches Solution Partner Management bei Phoenix Contact.